摄像头智能车讲稿解析

大多数车模选择 的是光电编码器。
硬件模块设计——电机驱动
智能车优劣评定的重要标准就是，直道、弯道应采取不同 的速度控制策略。直接用电池电源无法实现速度控制，因此需要 用到电机驱动控制电路。 MC9S12单片机集成有PWM输出单元，可以用来控制大功率晶 体管、全桥或半桥电路，实现对电机的速度控制。
H桥驱动电路
PT7
转向舵机模块 S3010
智能车作为一个完全自主系统，首先要完成对路径信息和速度信息的获取 然后通过对舵机和直流驱动电机的控制，实现小车的自动行驶。整个系统 以MC9S12XS128 单片机为核心，辅以电源管理模块、路径识别模块、车速 采集模块、转向舵机模块、电机驱动模块构成。
摄像头寻迹智能车硬件模块设计
硬件模块设计——电源管理
电源管理模块为系统其他各个模块提供所需的电源。可靠 的电源设计是整个硬件电路稳定运行的基础，是智能车设计中 的重要环节。设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本 参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路 简单等方面进行优化。
5V稳压电路 （单片机、数字摄像头、编码器）
摄像头
CCD模拟摄像头
优缺点 1)灵敏度高，适于高速运行 2)噪点低
CMOS数字摄像头
1)体积小，重量轻，功耗低 2)内部集成A/D，电路要求简单方便 系统小型化 3)平均成本低,便于推广
优点
缺点
1)成本高 2)功耗高，需12V供电
1)灵敏度低，不适于高速运行 2)噪点高
Hale Waihona Puke Baidu
摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟 视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须 经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上 运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。 现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输 接口的USB数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。 按感光器件类别来分，现在市场上摄像头使用的镜头大多为CCD和CMOS两种。其中 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）是应用在摄像、图像扫描方面的高端 技术组件，CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，附加金属氧化物半 导体组件）则大多应用在一些低端视频产品中。但是这样的定位并不表示在具体的摄 像头使用时，两者有很大区别。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果 的差距已经大大的减小了。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多 摄像头生产厂商采用的都是CMOS镜头。
MC9S12XS128 最小系统 电源管理模块 路径识别模块 车速采集模块 电机驱动模块 转向舵机模块
硬件模块设计——最小系统
① ② ③ ④
所谓单片机最小系统，是指在单片机外部增加尽可能少的元件电路，组成 一个可以让单片机独立工作的系统。最小系统主要由以下几个部分组成： 供电电路：为单片机提供+5V 的电源。 时钟电路：为单片机提供一个外接的16MHz 的石英晶振。 复位电路：通过一个复位芯片给单片机一个复位信号。 BDM 下载电路：允许用户向单片机下载和调试程序。
3 二、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补金属 ． 氧化物半导体”。 评 价 它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。 C CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件 C 的发展方向之一。 D 四、比较CCD与CMOS 的 1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了 基 CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数字相机，将影像处理行业推进到一个全 本 新领域。数字相机无需胶卷和冲洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不 指 会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来 标 了一场革命。 主 要 包 括 信 噪 比 、 冷 却
BTS7960驱动电路
MC33886驱动电路
H桥驱动电路
MC33886驱动电路
BTS7960驱动电路
硬件模块设计——转向舵机
舵机内部结构 舵盘、齿轮组、位置 反馈电位计、直流电 机、控制电路板等。 工作原理 脉宽信号给定参考位 置，舵机内部电路通 过反馈控制调节舵盘 角位。 舵盘角位由PWM控 制信号的脉宽决定。
光电寻迹与图像寻迹检测方案的比较
路径识别方法 优 点 缺 点
红外光电管 传感器方案
1．电路设计相对简单 2．检测信息速度快 3．成本较低
1．道路参数检测精度较低 2．检测前瞻距离较短 3．耗电量大 4．占用MCU端口资源较多 5．容易受到外界光线影响
1．电路相对设计复杂 2．检测信息更新速度慢 3．软件处理数据较多
摄像头寻迹智能车 图像采集与数据处理
智能车道路识别寻迹方案 摄像头寻迹智能车结构组成 摄像头寻迹智能车功能模块 图像采集传感器简介 模拟图像采集传感器 数字图像采集传感器OV7620
智能车系统总体结构组成
赛道信息的识别是车辆控制的基础，为了提高行驶稳定性和优化行车线路， 很多设计都把重点放在了使传感器感知更远距离、获取更多信息上。现有赛道 路径检测识别方案大体有三种：电磁寻迹方案,光电寻迹方案,摄像头寻迹方案。
从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同： 1.信息读取方式 CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取， 电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为 复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简 单。 2.速度 CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢； 而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像 信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。 3.电源及耗电量 CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个 电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面 具有很大优势。 4.成像质量 CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离 噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高， 各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像 质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS 电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。 5.此外，CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的:
2．光电式脉冲编码器
光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成 电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最 大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等 特点。 光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码 形式的数字脉冲，如下图所示。
3.测速发电机
此种方法检测速度准确， 但测速电机体积过大且价 格昂贵，其安装也不易， 所以不常用这种方法。
三线连接方式 •红线： 电源线+6V •黑线： 地线 •白线： PWM控制 信号
舵机标准驱动控制方法
舵机转角与PWM脉宽
实测波形（0度）
实测波形（15度）
实测波形（-15度）
实测波形（30度）
硬件模块设计——路径识别
路径识别模块是智能车控制系统的输入采集单元，其优劣直接影响智能车 的快速性和稳定性。在摄像头寻迹方案中，其路径识别和道路信息是由摄像 头采集的。 摄像头又称作图像传感器，由镜头、图像传感芯片和外围电路构成。 按图像传感芯片可分为CCD摄像头和CMOS摄像头；根据摄像头输出信号的 形式又可分为数字摄像头和模拟摄像头。
一、CCD 1．简述 CCD（Charge Coupled Device），即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。 数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。 CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。 与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，CCD既 没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会 不停留地送入一个“模-数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备（比如内存芯片或内存 卡）。 CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有2×2平方英寸。 2．CCD的成像原理 CCD成像的过程是这样的：CCD表面被覆的硅半导体光敏元件捕获光子后产生光生电子，这些电 子先被积蓄在CCD下方的绝缘层中，然后由控制电路以串行的方式导出到模数电路中，再经过DSP 等成像电路形成图像。fast scan 和slow scan最大的区别就在于光生电子导出的速度和电路系统上 不同。fast scan导出电子的频率非常快，以便能达到视频级的刷新率，但这将导致电子丢失、噪声 增多、光生电子清空不彻底；而low scan 则相反，它的电路设计重在对光生电子积蓄的保护上，导 出的频率不高，但保证传出过程中电子丢失和损耗降到极小，它的模数转换器动态范围和灵敏度极 高，保证了信号转换过程不失真，同时为了减低热效应产生的噪声，一般使用Cooling系统降温。 看了上面的解释我们可以知道专业级的科研用摄像头为什么那么贵了，从CCD感光层的材料和面积 开始、到光生电子的积蓄、到电子的导出电路、传输电路、模数转换电路、图像显示电路、 Cooling电路，每一步专业级科研摄像头的工艺都和民用级的不同，成本都在几十倍到几百倍以上。 目的只有一个，专业级摄像头能尽可能完整的采集到所有的光信号。一般来说，民用级摄像头或数 码相机只能反映50%以下的光信号。
摄像头 传感器方案
1．检测前瞻距离远 2．检测范围宽 3．检测道路参数多 4．占用MCU端口资源少
摄像头寻迹智能车系统结构组成
P0、P1
电源管理模块
飞思卡尔16位单片机 MC9S12XS128
直流电机驱动 电路 BTS7960
路径识别模块 OV7620
A、T0、T1
直流电机
P3
车速采集模块 编码器
5.1内部结构（传感器本身的结构） CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近 电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与 光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。 每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图 像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造 复杂，增大了耗电量，也增加了成本。 CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在 同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光 电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆 盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连 器，它可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。 5.2外部结构（传感器在产品上的应用结构） CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而 CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息， 速度比CCD电荷耦合器快很多。 CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部 件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像 信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一个 芯片就可以实现很多功能，因此采用 CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。
6V稳压电路 （舵机）
12V斩波升压电路 （模拟摄像头等）
5V稳压电路 （单片机、编码器等）
硬件模块设计——车速采集
常用的速度采集传感器： 1. 霍尔传感器配合稀土磁钢 2. 光电式脉冲编码器 3. 测速发电机
1．霍尔式脉冲编码器
下图是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴 与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在 转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相 应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据 磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分 辨率。
摄像头模型车采用图像传感器直接“观测” 赛道，进行信 息识别寻迹，其“面型检测阵列”远多于“线型检测阵列”所能 检测的信息，利用单片机进行视频信号采样处理，可有效识别出 导引线的位置，区分各种道路类型并提供足够远的预判距离。
电 磁 寻 迹 模 型 小 车
光电寻迹模型小车
摄 像 头 寻 迹 模 型 小 车
电磁传感器循迹方案
电磁模型车采用电磁感应线圈来判别跑道上的电磁引导线 (导线电流100mA，频率20KHz)。路径识别模块由若干个电感组成 通过电磁传感器检测的磁场的大小来判断车的行进角度进行赛道 预测并输出电压给MC9S12XS128采集处理,控制小车各模块工作。 光电传感器循迹方案
光电模型车采用“线型检测阵列”寻线方法，将多个光电管 成直线排列在智能车前端，采用巡回检测方式来寻找黑色导引线。 利用单片机完成对光电管检测信号的分析处理并实现电机和舵机 控制脉冲的产生。 图像传感器循迹方案